En 2019, le nombre de brevets déposés auprès de l’Office des brevets et des marques des États-Unis s’est élevé à 606 562. En moins de 20 ans, le nombre de demandes de brevet aux États-Unis a doublé.
Vous vous sentez dépassé à l’idée de créer un prototype et pensez que la conception en 3D est suffisante pour déposer un brevet ? Il y a des centaines de raisons pour lesquelles vous devriez créer un prototype. Il y a des milliers de raisons de plus pour lesquelles sauter cette étape est une mauvaise idée.
Continuez à lire pour connaître les détails de la fabrication de prototypes métalliques et pourquoi vous en avez besoin.
Pourquoi créer un prototype métallique ?
Les raisons de créer un prototype métallique, ou d’utiliser un autre matériau, dépendent de vous. La plupart des prototypes ne sont pas conçus pour fournir une fonctionnalité mécanique réelle. Ils pourraient ne même pas être à la taille appropriée de l’objet s’il présente des micro- ou nano-caractéristiques.
Au lieu de cela, ils peuvent être destinés au marketing, à la réflexion, à l’exposition lors d’un salon professionnel ou pour d’autres raisons.
Que le prototype soit imprimé en 3D ou non, un prototype métallique offrira :
- Une meilleure esthétique
- Des résultats de test plus proches de la réalité
- Une plus grande facilité de passage à la production de masse
- De meilleures caractéristiques mécaniques ou fonctionnelles
- Des défis de fabrication dans un matériau similaire
- Des économies de coûts par rapport au plastique dans certaines applications
Si votre produit final est imprimé en 3D en métal ou moulé, vous pouvez obtenir une expérience similaire avec du plastique. Si vous effectuez des travaux de CNC (commande numérique par ordinateur) dans la fabrication de votre produit final, travailler avec du métal vous donnera une image plus claire du produit final.
Les plastiques ne sont “bon marché” que grâce à leur capacité à obtenir des formes complexes grâce à des moules et des moulages. Cela ne signifie pas que les prix des matières premières ne seront pas élevés parce que le matériau de construction de votre prototype est en plastique.
Les meilleurs métaux pour le travail
Si vous décidez de créer un prototype métallique, les deux métaux les plus couramment utilisés sont l’aluminium et l’acier. Il y a des raisons situationnelles d’utiliser du titane, des alliages de chrome, du magnésium, du cuivre et d’autres alliages ou éléments métalliques.
Par exemple, le titane est résistant à la corrosion sans ajout de nickel, contrairement à l’acier. Il a également l’un des rapports résistance/densité les plus élevés et un point de fusion élevé. Il n’est pas très conducteur de l’électricité ni de la chaleur et est un matériau paramagnétique faible.
Le nickel peut provoquer des réactions allergiques, des crises d’asthme et est magnétique à température ambiante. L’aluminium, en revanche, est léger mais assez mou et pas particulièrement résistant. L’utiliser à la place de l’acier pour alléger le prototype pourrait le rendre fragile. Il est également un excellent conducteur électrique – seul l’argent pur, le cuivre et l’or donnent de meilleurs résultats.
Sinon, vous devrez tester un prototype mécanique ou fonctionnel avec les mêmes matériaux que le produit final et à la même taille.
Les considérations à prendre en compte dans la création d’un prototype métallique sont l’aimantation, la conductivité électrique, la durabilité et le coût.
Pourquoi envisager la création de prototypes avec la fabrication additive ?
Les processus de fabrication additive connaissent un essor croissant et sont de plus en plus populaires (et rentables) chaque jour. Beaucoup de gens pensent que l’impression 3D est un processus de thermosoudage ou de thermoplastique, mais il est également possible d’imprimer en 3D du métal.
Ce qui rend l’impression 3D un processus additif, c’est que vous construisez en utilisant la matière première au lieu de retirer ou de couler la matière. Vous ajoutez le matériau utilisé pour créer votre pièce.
La création de prototypes en métal grâce à l’impression 3D est une nouvelle forme précieuse de fabrication de composants, ce n’est pas qu’une simple tendance. C’est une technologie capable de créer des géométries complexes à des tailles qui étaient jusqu’à présent impossibles. C’est également une technologie qui promet des composants et des systèmes ultralégers sans sacrifier la résistance.
Il y a beaucoup de noms utilisés quand il s’agit d’impression 3D de métaux, ainsi que des acronymes accrocheurs et des abrégés. Cela peut rapidement devenir très confus.
Les systèmes d’alimentation en poudre sont appelés :
- Dépôt d’énergie dirigé
- Dépôt de métal par laser
- Dépôt de métal par cladding
Ce système est un système de dépôt automatisé précis. L’épaisseur varie de 0,1 mm à plus d’un millimètre.
Les systèmes en lit de poudre sont connus sous les noms de :
- Frittage direct de métal laser ou DMLS
- Fusion sélective par laser ou SLM
- CUSING laser
- Fusion par faisceau d’électrons
La liste des métaux couramment utilisés dans ces systèmes s’allonge chaque jour. Les métaux et alliages couramment utilisés pour les prototypes métalliques de précision comprennent :
- Le nickel
- Les alliages d’acier inoxydable
- Les alliages de titane
- Les métaux précieux (or et argent)
- Les alliages de cuivre
- Les alliages de cobalt
- Les alliages d’aluminium
- Les aciers à outils
Cela couvre presque tous les matériaux couramment utilisés pour les prototypes rapides et les matériaux de production. Même la réalisation de prototypes en Inconel et Hastelloy est possible pour les environnements à forte corrosion.
Les alliages de magnésium se sont révélés difficiles à travailler, mais les chercheurs progressent chaque jour avec ce matériau.
Impression 3D avec des métaux alimentés en poudre
Les systèmes alimentés en poudre ressemblent à la gravure au laser à bien des égards.
Dans la gravure et la gravure au laser, un laser se déplace sur une surface désignée et change physiquement les qualités optiques du matériau dans la zone affectée par la chaleur (HAZ). Certains métaux et combinaisons laser nécessitent un matériau de marquage, et le laser lie le matériau aux atomes dans la HAZ.
Dans l’impression 3D métallique alimentée en poudre, la poudre est dirigée en jet vers la HAZ créée par un laser. De plus, comme dans la gravure au laser et d’autres processus de soudage, un gaz de protection peut créer de meilleures soudures, empêcher la contamination et réduire les réactions chimiques indésirables.
Toutes ces idées combinées créent une structure métallique parfaitement liée, construite couche par couche le long du parcours du laser.
Une innovation, appelée “Laser Engineered Net Shaping” ou LENS, est une variation passionnante de cette technologie. Cette technologie nous permet d’ajouter du matériau à des pièces existantes. Cela permet de réparer des pièces coûteuses ou des moules existants ou même d’ajouter des revêtements physiquement liés avec une grande précision.
Cette nouvelle technologie de revêtement laser est actuellement à l’étude pour un processus de fabrication hybride avec des systèmes de fraisage à 5 axes.
Impression 3D avec des métaux en lit de poudre
La fusion laser en lit de poudre est peut-être la classe de tolérance la plus élevée que l’on puisse atteindre de manière prévisible. Cette forme d’impression 3D d’alliages métalliques est un procédé de tolérance démontrablement plus élevée que la LMD (Dépôt de métal par laser) ou l’EBM (Fusion par faisceau d’électrons).
Cela dit, la LMD dont nous avons parlé dans la section précédente a une tolérance élevée et un peu plus de liberté.
Dans l’impression 3D métallique en lit de poudre, des poudres d’alliage métallique sont raclées d’une cavité de distribution sur la surface de la pièce à usiner. Un laser fusionne la poudre pour créer la première “tranche”. La surface de la pièce à usiner descend d’un niveau d’épaisseur souhaité, et une nouvelle couche de poudre est raclée et fusionnée.
Rincer et répéter jusqu’à ce que la pièce soit terminée.
Cette opération précise et “simple” signifie qu’elle est plus stable car la poudre métallique la soutient physiquement. Cependant, des éléments de stabilisation devront être intégrés au fichier de construction du prototype et retirés après la réalisation du produit.
De plus, s’il y a des sections creuses dans votre produit, il peut être impossible d’éliminer la poudre.
Moulage et fabrication soustractive
Le moulage sous pression est une méthode de moulage où du métal fondu ou liquide est poussé dans un moule sous haute pression. Le moule est appelé une matrice et est utilisé de manière répétée pour créer plus de pièces.
L’injection plastique et le moulage sous pression ont de nombreuses similitudes. Les deux ont des processus de post-fabrication pour éliminer le matériau de la porte, appelée ébarbage dans le cas de l’injection plastique. Le moulage sous pression est utilisé dans presque tous les secteurs, de l’automobile à l’aéronautique, en passant par l’alimentaire.
Pour utiliser le moulage sous pression, vous devez fabriquer un moule ou un “outillage”. Vous pouvez utiliser cet outillage à plusieurs reprises, parfois des milliers de fois, et en fabriquer de nouveaux lorsqu’il est usé. Cette méthode n’est cependant pas adaptée à la création de prototypes uniques.
Comme l’injection plastique, le moulage sous pression convient davantage à des centaines ou des milliers de productions qui utilisent l’économie d’échelle pour réduire les coûts des pièces.
La fabrication soustractive repose sur divers outils de fabrication tels que des fraiseuses, des tours, des machines à commande numérique, des perceuses, et bien d’autres, pour enlever de la matière d’une surface de travail. Il s’agit de l’une des méthodes les plus économiques pour des pièces uniques dans pratiquement tous les types de matériaux pour la création de prototypes.
Le prototypage de tôles fonctionne mieux avec l’estampage et la mise en forme des tôles plutôt que la simple coulée ou la fabrication par CNC. L’estampage, la découpe, le pliage et d’autres processus permettent de créer des géométries complexes et magnifiques.
Usinage CNC
Pour les pièces solides, l’usinage à commande numérique par ordinateur fonctionne exceptionnellement bien. Certaines géométries complexes ne peuvent pas être produites en masse à l’aide de moules ou de matrices et doivent être soit imprimées en 3D, soit usinées par CNC.
Les blocs solides contenant beaucoup de matériau et présentant peu de géométrie interne fonctionnent mieux avec une CNC plutôt qu’une impression 3D métallique. C’est plus rapide et moins cher, ce qui permet des délais rapides.
Les machines CNC standard sont :
- Les machines de découpe, de gravure et de marquage au laser
- Les fraiseuses
- Les machines d’électroérosion (EDM)
- Les machines de découpe plasma
- Les tours
- Les rectifieuses
Certaines machines CNC travaillent uniquement sur les plans X et Y, d’autres sur les trois dimensions, et certaines ont une capacité 6 axes, ce qui signifie une rotation sur deux ou trois plans. Voici les différentes gammes de plans sur lesquels travaillent les différentes machines :
- 2 axes
- 2,5 axes
- 3 axes
- 4 axes
- 5 axes
- 6 axes
Comme mentionné précédemment, certains dispositifs d’alimentation laser en métal 3D sont désormais utilisés conjointement avec des machines CNC pour des méthodes de fabrication soustractive. Cela signifie qu’ils mettent au point de nouvelles méthodes d’usinage hybrides pour des capacités élargies.
Prototypage en tôles métalliques
Les prototypes en tôles métalliques sont un autre hybride qui utilise souvent des machines de découpe laser, plasma ou EDM à 2 axes.
Une fois la découpe effectuée, différentes machines permettent de plier, courber, emboutir et façonner la tôle métallique selon vos spécifications de conception. Les tôles métalliques sont très solides, malgré leur apparence.
L’impression 3D et les machines CNC à 3 axes ne sont pas efficaces pour la création de pièces en tôle métallique. Pour l’impression 3D de tôles métalliques, il y a l’inconvénient du temps et de la résistance. Dans le cas des machines CNC à 3 axes, le coût exorbitant du gaspillage de matériau rend cette méthode prohibitive.
Les tôles métalliques sont souvent laminées à froid, ce qui leur confère des caractéristiques de résistance supérieures à celles de la découpe dans le sens des grains du métal lui-même. Cela est similaire au filetage laminé à froid des boulons pour améliorer les caractéristiques de cisaillement.
Parmi les avantages du prototypage rapide de tôles métalliques, citons :
- La flexibilité
- La gamme de choix de tôles métalliques
- Une bonne résistance
- Un prototypage rapide et peu coûteux
Les secteurs qui bénéficient généralement du prototypage en tôles métalliques sont le secteur médical, des communications et de la fabrication de pièces en faible volume.
Les défis courants du prototypage métallique
Le prototypage métallique présente ses propres défis. Certains de ces défis peuvent être :
- Des conflits de logiciels
- Des erreurs de programmation pour la machine CNC ou l’imprimante 3D
- Des temps d’arrêt dus à la réparation de la machine
- La difficulté de choisir un alliage
- Le coût des matériaux
Ces défis ne sont pas impossibles à surmonter. Les avantages de surmonter ces difficultés l’emportent largement sur le choix d’un produit inférieur pour votre prototype.
Votre prototype métallique rapide, bien réalisé
Un prototype métallique a tendance à avoir meilleure allure, à mieux se vendre aux investisseurs et peut même réduire les coûts des matériaux grâce aux méthodes de fabrication avancées disponibles aujourd’hui.
Le prototypage métallique a été et continuera d’être la méthode de prototypage rapide principale à l’avenir. Même si l’impression 3D plastique est en hausse, les mêmes principes peuvent être utilisés dans l’impression 3D métallique.
En raison de sa durabilité supérieure, de sa résistance à la chaleur et de son attrait esthétique, les prototypes métalliques l’emportent presque toujours.
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